肿瘤局部的缺氧微环境与前列腺癌转移

郭爱鑫，王慧萍

(1.国家卫生健康委科学技术研究所，北京 100081；2.北京协和医学院研究生院，北京 100730)

前列腺癌(prostate cancer，PCa)是老年男性泌尿生殖系统常见的恶性肿瘤。近年来随着人们生活水平的提高、人口结构的老龄化、饮食结构的改变，以及男性激素使用不当等原因，PCa发病率呈上升趋势，已高居泌尿系统肿瘤的前三位[1]，在男性癌症中发病率仅次于肺癌且发病年龄日趋年轻化[2]。2009年中国城市地区前列腺癌发病率和死亡率分别为13.31/10万和5.30/10万，且每年增长率高达12.07%；而2015年发病率和死亡率分别为60.3/10万和26.6/10万，数据表明前列腺癌已成为威胁中国男性健康的主要因素[3]。前列腺癌预后差，与其远处转移密切相关，因此预防或降低PCa转移对延长患者的生存期具有重要意义。前列腺癌细胞的增殖、浸润及转移由多种因素调控，有证据表明缺氧是许多实体肿瘤局部微环境改变的主要特征，肿瘤局部缺氧也是造成PCa转移的重要因素之一，肿瘤局部的缺氧微环境促进肿瘤细胞由良性向恶性进展，促进肿瘤细胞耐药及转移侵袭[4-5]。本文就肿瘤局部缺氧微环境促进PCa转移的机制及其研究进展进行综述，以期对前列腺癌细胞迁移侵袭的预防和治疗提供新的思路。

一、缺氧诱导因子1对前列腺癌细胞转移的作用

缺氧诱导因子1(hypoxia inducible factor 1，HIF-1) 是一种异二聚体，分别由氧调控性表达的HIF-1α亚基及构造型HIF-1β亚基所组成，是一种氧依赖性转录激活因子。HIF-1α是HIF-1特有的活性亚单位，决定HIF-1的活性。在有氧状态下HIF-1α表达不稳定，而在缺氧状态下HIF-1α可迅速变得稳定。HIF-1α仅存在于缺氧细胞核中，在细胞缺氧时产生，参与调控缺氧时细胞代谢中的氧含量和相关基因的表达。HIF-1对机体调节具有双重作用：一方面，当心、脑、肾等机体重要脏器缺血时，启动机体自身的系列保护性反应；另一方面，HIF-1的作用体现在可调节肿瘤细胞的氧合状态，促进肿瘤细胞的增殖、新生血管的生成、诱发上皮与间充质转化(epithelial-mesenchyme transformation，EMT)、促进外泌体分泌，导致肿瘤组织在局部缺氧条件下仍可继续生长，进而引发后期肿瘤的转移、侵袭以及术后复发，并降低肿瘤对化疗的敏感性使病情恶化难以治疗[6]。

研究表明，HIF-1在许多人类实体肿瘤中过表达并上调缺氧相关基因，如E钙黏蛋白转录抑制因子、Twist家族碱性螺旋-环-螺旋转录因子(Twist)、锌指蛋白E-盒结合同源异形盒-1 (zinc finger E-box binding homeobox factor 1，ZEB1)、叉头框转录因子M1 (forkhead box transcription factor M1，FOXM1)等[7-9]。EMT被认为是胚胎发育和肿瘤形成过程中的关键事件。HIF-1可诱导不可逆EMT转化，并促进前列腺癌进展[10]。Yoo等[11]研究结果表明，慢性缺氧可以驱动不可逆性的EMT转化，该过程主要依赖于突变的HIF-1α诱导，而不是通过传统的转录激活。前列腺上皮细胞转化为间充质细胞后获得肿瘤特性，且表现出晚期癌症的某些特征。许多研究表明，HIF-1不仅可诱导人前列腺癌细胞的EMT，也可促进前列腺肿瘤微血管的形成和前列腺肿瘤细胞外基质的降解[12-13]。缺氧状态下，HIF-1α启动血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的转录，诱导并增加VEGF表达，同时，HIF-1α调控促红细胞生成素(erythropoietin，EPO)转录激活，二者共同作用影响前列腺肿瘤癌组织新生血管的形成。此外，HIF-1α可增加基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)的表达，从而促进前列腺癌细胞侵袭、转移[14]。其中，MMP-2是降解细胞外基质的主要分子，可加速细胞外基质的降解，破坏前列腺癌细胞侵袭的组织学屏障。当前列腺癌细胞处于缺氧微环境时，HIF-1α表达水平迅速提高，进而激活MMP表达，促进癌细胞的迁移。近期研究还发现，缺氧可诱导肿瘤细胞中组蛋白脱甲基酶(plant homeodomain finger protein 8，PHF8)的表达。具有内在组蛋白脱甲基酶活性的PHF8，可促进雄激素受体(Androgen Receptor，AR)转录激活。因此，HIF/PHF8/AR轴可能促进前列腺癌细胞增殖、迁移和入侵[15]。

二、缺氧诱发EMT

EMT是上皮细胞失去极性并转换为间质细胞表型的过程。癌性上皮细胞在初始转化后，通过黏附分子的持续表达和完整的基底膜，在原发部位局限性生长。然而，随着癌症的进展，一些位于原发肿瘤周围的细胞被认为是通过EMT程序获得了间质特性，从而促进肿瘤细胞向局部和远处组织的转移侵袭[16]。EMT在胚胎发育过程中具有十分重要的地位，对正常人体组织和肿瘤组织的细胞可塑性起到关键的调控作用。肿瘤细胞黏附的丧失是这一过程中的一个重要因素。E-钙黏蛋白(E-cadherin)是一种钙依赖性跨膜糖蛋白，可介导细胞之间互相粘附，调节正常细胞间连结的形成和维护。它是黏附连接的关键组成部分，通过亲同性相互作用连接相邻的细胞，也有一些细胞通过多烯复合物连接到固定于细胞骨架上的E-钙黏蛋白细胞质的尾部，而不是直接连接到细胞骨架上[17-18]。在EMT过程中，肿瘤细胞脱去上皮细胞的某些特性，如细胞间的黏附性、细胞极性，发生细胞骨架改变，向间充质表型转变并获得高度的运动性和侵袭性。

EMT过程是一个非常复杂的分子过程，多种信号都能够触发EMT过程，如缺氧、上皮细胞与间质细胞间的相互作用以及黏附因子等。许多能启动EMT过程的信号分子和特定的转录因子(transcription factors，TF)组建了一个可调控的信号网络[19]。在EMT-TF信号网络中，有4种重要转录因子(Twist、ZEB1、Snail和Slug)直接或间接抑制E-cadherin表达，调节细胞抗凋亡及增强运动的能力[20]。这些因子及其参与组成的信号通路下调粘附连接分子E-cadherin的表达，而E-cadherin是上皮细胞的特异性标志物，主要功能是调节细胞间接触、细胞形态和极性。同时，癌细胞褪去上皮特性伴随着间质特征的增加，包括波形蛋白、平滑肌肌动蛋白、纤连蛋白、基质金属蛋白酶和N-钙黏蛋白(N-cadherin)的表达增加，以及体外单层培养时向成纤维细胞形态转变[21]。

前列腺癌细胞的转移涉及多个步骤，其中EMT一度被认为是不可或缺的[22]。许多证据表明[9]，纠正癌细胞周围组织缺氧微环境，能有效抑制EMT，一定程度上抑制前列腺癌细胞的转移，但其分子机制还不太明确。因此，研究缺氧微环境下肿瘤细胞发生EMT的调控机制，对于深入了解PCa细胞侵袭迁移的分子机制十分重要。

三、缺氧促进前列腺癌新生微血管形成

前列腺癌细胞的迁移侵袭也是需要能量的。因此，新生血管形成对前列腺癌发生和转移至关重要[23]。HIF-1α和VEGF是调节血管生成的主要因子，在前列腺癌组织微血管形成过程中发挥关键作用[24-25]。当前列腺癌细胞处于缺氧微环境，HIF-1α因子表达增加，在加强肿瘤组织细胞 VEGF mRNA 稳定性的同时，又会增强 VEGF受体的转录。研究表明[26]，VEGF5’端增强子内存在HIF-1α的结合位点。当前列腺癌细胞处于缺氧状态时，HIF-1α与VEGF5’端增强子相结合可以诱导并增加VEGF转录活性和VEGF表达。VEGF受体分为1型和2型，主要存在于血管内皮细胞的表面。缺氧微环境中前列腺癌细胞VEGF生物学效应增强，VEGF以旁分泌的方式作用于血管内皮细胞的两种类型受体，激活细胞内级联缺血信号通路，促进缺氧局部组织新生血管，从而缓解癌组织、细胞的缺氧缺血，调节其新陈代谢，为癌细胞的增殖分化及侵袭迁移提供物质和能量[26-28]。同时，缺氧状态下前列腺癌细胞增加分泌的VEGF，也可促进淋巴管内皮细胞分裂和增殖，介导生成淋巴管，增加前列腺癌组织内淋巴管数量，为前列腺癌的淋巴转移创造条件，导致术后复发、病情恶化。有报道称[29]，缺氧激活核因子κB(NF-κB)/HIF-1α/VEGF通路，可调控血管生成，进而促进前列腺癌发生、发展。

前列腺癌血管生成是肿瘤细胞和宿主微环境之间动态交叉效应的结果。缺氧导致机体微环境的pH呈酸性，也可促进前列腺癌细胞VEGF的释放[30-31]。此外，缺氧状态下HIF-1变得迅速稳定下来并且表达量升高，进而激活EPO的转录，而EPO通过激活蛋白激酶可激活肿瘤细胞蛋白酶活化受体2介导的内皮细胞活化，继而触发新生血管形成[32]。有研究表明，处于缺氧状态下的前列腺癌细胞可释放大量的组织因子，这些组织因子与微血管的形成密切相关。因此，控制好前列腺癌组织的氧合状态能很好地抑制肿瘤微血管的形成，阻断前列腺癌细胞的增殖和转移扩散所需的能量。

四、缺氧促进外泌体分泌而增强前列腺癌细胞侵袭

前列腺癌组织细胞在缺氧状态下分泌外泌体增多，使前列腺癌的适应能力更强、恶性程度更高以及化疗药耐受性增加，进而导致前列腺癌细胞难以根除，病情恶化。外泌体是从胞内体(如溶酶体)脱落下来的含复杂RNA和蛋白质的小囊泡，具有胞吞胞吐功能，主要作用是运送细胞之间的生物活性分子。缺氧会促使外泌体分泌显著增加，而外泌体中的RNA和蛋白质通过信号转导通路在肿瘤缺氧微环境中发挥一系列作用，可导致前列腺癌异质化、诱导前列腺癌相关成纤维细胞、促进前列腺癌组织微血管生成及转移侵袭等[33-35]。

已有实验表明[36]，与常氧状态相比，缺氧情况下前列腺癌组织显示出更高的金属蛋白酶活性，多种信号分子如转化生长因子-β2 (transforming growth factor-β2，TGF-β2)、肿瘤坏死因子1α(tumor necrosis factor，TNF1α)、白介素-6 (Interleukin-6，IL6)、肿瘤易感基因 101 (recombinant tumor susceptibility gene 101，TSG101)、人整合素连接激酶(recombinant human integrin linked kinase 1，ILK1)和β连环蛋白(β-catenin)表达水平升高。通过蛋白质组分析发现，与常氧相比，缺氧状态下的外泌体含有更多数量的蛋白(160 vs. 62)，表达增加的蛋白主要与上皮贴壁连接通路的重构有关。重要的是，缺氧可靶向调控雄激素非依赖性前列腺癌细胞(PC-3)粘附连接蛋白的表达。这些研究结果表明，缺氧促使前列腺癌细胞分泌包含独特蛋白质的外泌体，后者通过靶向粘附连接分子增强侵袭性、茎干性和诱导微环境变化，从而促进PCa侵袭性生长。因此，研究缺氧微环境中的外泌体可能会开拓癌症治疗的新思路。

五、结语

综上所述，前列腺肿瘤组织缺氧微环境的产生有利于前列腺癌细胞生存，是前列腺肿瘤细胞恶性进展关键性因素之一。缺氧微环境和前列腺癌细胞之间的相互作用，促进了前列腺癌细胞转移扩散，形成了恶性循环。缺氧微环境促使前列腺癌细胞多种因子和信号通路的改变，如HIF-1、VEGF、HIF/PHF8/AR通路等。由此可见，缺氧微环境的形成对于前列腺癌尤其晚期的发生发展至关重要。了解缺氧微环境与前列腺癌细胞转移之间的相互作用关系，有助于识别药物干预的潜在靶点，以便抑制前列腺癌细胞的生长和转移。